nodejs中實(shí)現(xiàn)sleep功能實(shí)例
nodejs最讓人不爽的就是其單線程特性，很多事情沒法做，對CPU密集型的場景，性能也不夠強(qiáng)勁。很長一段時(shí)間，我想在javascript語言框架下尋求一些解決方案，解決無法操作線程、性能差的問題。曾經(jīng)最讓我印象深刻的方案是fibers，不過fibers也好，其他方案也好，在線程操作上還是很別扭，太過依賴輔助線程，本末倒置；就fiber而言，javascript固有的低性能問題并不能解決；最別扭的是在javascript語言框架下，線程間的消息傳遞常常很受限制，經(jīng)常無法真正地共享對象。
nodejs的addon方式無疑是極好的，具有極強(qiáng)的靈活性、完備的功能和原生代碼的性能。簡單說就是讓nodejs直接調(diào)用c/c++模塊，是一種javascript和native的混合開發(fā)模式。好東西呀，為什么不用呢？addon應(yīng)該算是一個(gè)大話題，今天我也不想太深入說這個(gè)，我自己的實(shí)踐也不是很多。那就實(shí)現(xiàn)一個(gè)sleep函數(shù)，就當(dāng)是拋磚引玉吧。
sleep
為什么javascript實(shí)現(xiàn)不了真正的sleep？sleep方法是通過向操作系統(tǒng)內(nèi)核注冊一個(gè)信號，指定時(shí)間后發(fā)送喚醒信號，而線程本身則掛起。本質(zhì)上當(dāng)線程 sleep(1000) 代表告訴操作系統(tǒng)：1000ms內(nèi)不要給我分配CPU時(shí)間。所以sleep能保證線程掛起時(shí)不再占用CPU資源。而javascript是單線程運(yùn)行，本身取消了線程的概念，自然沒有辦法將主線程掛起中斷。
也有人會(huì)嘗試用javascript方法要實(shí)現(xiàn)sleep，例如這樣：
function sleep(sleepTime) {
for(var start = +new Date; +new Date - start <= sleepTime; ) { }
}
這是采用空循環(huán)阻塞住主進(jìn)程的運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)sleep，明顯跟真正的sleep相去甚遠(yuǎn)。
那么如果實(shí)現(xiàn)一個(gè)真正的sleep呢？
環(huán)境準(zhǔn)備
開發(fā)環(huán)境
之前我的一些博客已經(jīng)說過，這里從略：node.js+npm、python 2.7、visual studio/ x-code。
編譯工具
編譯工具需要采用node-gyp，較新版本的nodejs自帶此庫，如果沒有自帶node-gyp，請執(zhí)行：
npm install -g node-gyp
gyp特性我沒有精力去研究，如果你比較熟悉gcc等其他編譯器，不排除gyp會(huì)有不兼容之處，而且編譯選項(xiàng)和開關(guān)也是不盡相同。建議針對nodejs重新編寫c++代碼，如果確實(shí)有模塊需要復(fù)用，可以考慮先用熟悉的gcc編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫，再編寫少量代碼來使用動(dòng)態(tài)鏈接庫，再把這部分代碼用gyp編譯出來供nodejs使用。
進(jìn)入項(xiàng)目文件夾，執(zhí)行 npm init 初始化項(xiàng)目。為了讓nodejs知道我們想制作addon，我們需要在package.json中添加：
"gyp-file": true
如果使用過gcc，那么你一定記得makefile。類似的，gyp也是通過一個(gè)文件來描述編譯配置，這個(gè)文件為binding.gyp，它是一個(gè)我們非常熟悉的json文件。gyp不是我們探討的重點(diǎn)，所以binding.gyp也不會(huì)深入探究，我們只關(guān)注最重要的一些配置項(xiàng)。以下是一份簡單但完整的binding.gyp文件示例：
{
"targets": [
{
"target_name": "hello",
"sources": [ "hello.cc" ],
"include_dirs": [
"<!(node -e \"require('nan')\")"
]
}
]
}
就看看這里面涉及的三個(gè)配置項(xiàng)：
1.target_name：表示輸出出來的模塊名。
2.sources：表示需要編譯的源代碼路徑，這是一個(gè)數(shù)組。
3.include_dirs：表示編譯過程中要用到的目錄，這些目錄中的頭文件可以在預(yù)編譯指令 #include 搜索到。在這里使用了一個(gè)比較特殊的寫法，沒有把路徑用字符串常量給出，而是運(yùn)行一個(gè)命令 node -e "require('nan')" ，nan庫后面再說，先看看這個(gè)命令輸出什么： node_modules\nan ，原來這句命令的意思是返回nan庫的路徑。
C++編碼
OK，既然已經(jīng)配置了源代碼是hello.cc，那就建立一個(gè)這樣的文件。有一個(gè)問題需要提前提醒大家，我們所寫的c++模塊最終是要被v8引擎使用，所以api、寫法等受到v8引擎的制約。而不同版本的nodejs其實(shí)采用的v8引擎的版本也不盡相同，這也就意味著很難用一套c++代碼滿足不同版本的nodejs（指編譯過程，編譯完成后跨版本應(yīng)該能夠使用，沒有驗(yàn)證過。github不能上傳二進(jìn)制類庫，所以github上開源會(huì)有麻煩。npm可以直接上傳二進(jìn)制類庫，跳過編譯步驟，所以問題相對較小）。
node 0.11及以上版本：
#include <node.h>
#include <v8.h>
using namespace v8;
void SleepFunc(const v8::FunctionCallbackInfo<Value>& args) {
Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
HandleScope scope(isolate);
double arg0 = args[0] -> NumberValue();
Sleep(arg0);
}
void Init(Handle<Object> exports) {
Isolate* isolate = Isolate::GetCurrent();
exports->Set(String::NewFromUtf8(isolate, "sleep"),
FunctionTemplate::New(isolate, SleepFunc)->GetFunction());
}
NODE_MODULE(hello, Init);
node 0.10及以下版本：
#include <node.h>
#include <v8.h>
using namespace v8;
Handle<Value> SleepFun(const Arguments& args) {
HandleScope scope;
double arg0 = args[0] -> NumberValue();
Sleep(arg0);
return scope.Close(Undefined());
}
void Init(Handle<Object> exports) {
exports->Set(String::NewSymbol("sleep"),
FunctionTemplate::New(SleepFun)->GetFunction());
}
NODE_MODULE(hello, Init);
可以看出，變化還是相當(dāng)大的，如果能屏蔽這些差異就太好了，有辦法了？我寫這么多還不就是想告訴你有辦法。是時(shí)候請出nan庫了。
nan
還記得在binding.gyp中，我們引入nan庫的路徑，就是要在這里用。nan庫是干嘛的呢？它提供了一層抽象，屏蔽了nodejs 0.8、nodejs 0.10、nodejs 0.12、io.js之前addon的語法差異。贊！
先安裝： npm install --save nan ，看看同樣的功能，用了nan后如何實(shí)現(xiàn)：
#include <nan.h>
using namespace v8;
NAN_METHOD(Sleep){
NanScope();
double arg0=args[0]->NumberValue();
Sleep(arg0);
NanReturnUndefined();
}
void Init(Handle<Object> exports){
exports->Set(NanSymbol("sleep"), FunctionTemplate::New(Sleep)->GetFunction());
}
NODE_MODULE(hello, Init);
你需要了解的就是nan這套東西，至于v8的那一套就可以不用關(guān)注。
從下往上看：
NODE_MODULE(hello, Init);
這句定義addon的入口。注意第一個(gè)參數(shù)要與我們在binding.gyp中target_name一項(xiàng)一致。第二個(gè)參數(shù)就是addon的入口函數(shù)。
void Init(Handle<Object> exports){
exports->Set(NanSymbol("sleep"), FunctionTemplate::New(Sleep)->GetFunction());
}
這段代碼就是addon的入口方法。它接收兩個(gè)參數(shù)，分別是exports和module。上面的示例省略了第二個(gè)參數(shù)。如果模塊提供一個(gè)對象，可以像示例中那個(gè)，直接給exports指定要提供的key-value；如果特殊一點(diǎn)，僅提供一個(gè)數(shù)值，或一個(gè)函數(shù)，則需要用到第二個(gè)參數(shù)，類似于 NODE_SET_METHOD(module, "exports", foo); 。這個(gè)示例中是表示要輸出這樣一個(gè)模塊：
{
"sleep": Sleep
}
Sleep是一個(gè)函數(shù)，下來就來看看Sleep的定義：
NAN_METHOD(Sleep){
NanScope();
double arg0=args[0]->NumberValue();
Sleep(arg0);
NanReturnUndefined();
}
其實(shí)就是讀取javascript傳入的參數(shù)，轉(zhuǎn)成double型，再調(diào)用c++的sleep方法。
編譯addon
下面就要開始編譯這個(gè)模塊了。首先執(zhí)行 node-gyp configure 來進(jìn)行構(gòu)建前準(zhǔn)備工作，它會(huì)生成一個(gè)build文件夾和一些文件。接下來運(yùn)行 node-gyp build 就可以開始編譯了。在這個(gè)示例中，最終會(huì)在/build/Release/目錄下生成一個(gè)hello.node文件，這就是最終能被javascript引用的addon模塊了。
如果后續(xù)對c++代碼有修改，就不用再運(yùn)行 node-gyp configure ，直接運(yùn)行 node-gyp build 就好。
nodejs使用
建立一個(gè)index.js，看看怎么用這個(gè)模塊吧：
var sleep=require('./build/Release/hello.node').sleep;
console.log(new Date);
sleep(1000);
console.log(new Date);
// result
// Wed Mar 04 2015 14:55:18 GMT+0800 (中國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間)
// Wed Mar 04 2015 14:55:19 GMT+0800 (中國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間)
很容易吧，跟普通的javascript函數(shù)的使用方式一模一樣。
至此本文想要分享的技術(shù)要點(diǎn)已經(jīng)闡述完了。不過……究竟跟開篇提供的方法比起來有什么不一樣？我不截圖了，直接說明結(jié)果：
由于addon方式采用的方法是線程掛起，理論上不會(huì)有CPU占用和內(nèi)存變化，結(jié)果也是驗(yàn)證了這一點(diǎn)。再看javascript循環(huán)模擬sleep的方式，因?yàn)橐恢痹谂苎h(huán)，內(nèi)存增加一點(diǎn)可以理解，沒什么大不了；再看CPU占用25%，似乎還算過得去。真的是這樣嗎？揭露真相的時(shí)候到了。我測試的筆記本電腦的CPU是雙核四線程，再結(jié)合25%的CPU占用……難道雙核四線程中有一個(gè)線程就被這個(gè)sleep給占用了？其實(shí)我發(fā)現(xiàn)這期間并沒有一個(gè)線程被鎖死，不過這不是javascript的功勞，而是intel超線程的功勞。因?yàn)檎f是四線程，其實(shí)本質(zhì)是兩個(gè)處理核心只能是雙線程，只是cpu做了一個(gè)時(shí)間片切割上的小把戲。例如核心cpu01分成了t0和t2，假設(shè)在n tick（調(diào)度周期）后的一個(gè)tick內(nèi)，任務(wù)會(huì)分到t0，那么在再后面一個(gè)tick，任務(wù)會(huì)分到t2。所以從一個(gè)比較長的時(shí)間尺度（相對于調(diào)度周期），一個(gè)任務(wù)在t0和t2上運(yùn)行的時(shí)間基本是相當(dāng)?shù)摹Ｓ谑浅尸F(xiàn)出來的情景是nodejs的進(jìn)程沒有占用t0或t2到100%，而是分別占用了50%上下。由于windows的進(jìn)程調(diào)度相對比較復(fù)雜，所以CPU占用量上下浮動(dòng)很大。可以這樣預(yù)測，如果是雙核雙線程的CPU來處理這個(gè)腳本，CPU占用會(huì)上升到50%，并且一個(gè)核心卡死。如果是單核CPU來處理，CPU一下子會(huì)上升到100%。
好像CPU這段說得有點(diǎn)多，超線程那些也是猜測，各位看看就好。
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